SIEMENS SIMATIC S7-300 PLC在排水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

排水泵站（下簡稱泵站）作為市政建設(shè)和管理工程的主要設(shè)施，擔(dān)負著城市排水防澇的重要任務(wù)。從目前國內(nèi)大部分的泵站控制和管理來看還是處于相當 落后的狀況，與國外相比具有很大的差異。 在電氣控制上，自動化監(jiān)控程度低，大部分的泵站僅有單級的常規(guī)控制。在管理水平上，大部分泵站的管理記錄和統(tǒng)計都是手工操作。泵站控制和管理沒有形成區(qū)域化的網(wǎng)絡(luò)。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對市政建設(shè)和管理提出了更高的要求。所以必需對現(xiàn)有泵站控制和管理進行改造和完善。向國外無人化泵站監(jiān)控管理發(fā)展，以達到減員增效和提高管理水平的目的。該項目是以上海市浦東新區(qū)塘橋泵站為實施對象，進行整個泵站的自動化監(jiān)控和管理的改造。

2.泵站工況概述

塘橋泵站位于上海市浦東新區(qū)塘橋路黃浦江邊，該泵站主要用于附近地區(qū)的污水排放處理和防汛抗?jié)场７?wù)面積240公頃，總排水量為13.8米3/秒。
2.1設(shè)備分布
同大部分的泵站一樣，其設(shè)備分布平面圖如下（圖1）所示。
①進出水閘門：用來防止黃浦江江水倒灌和泵站維修。
②集水池：地下管道的污水匯集在此集水池，集水池被不銹鋼格柵分成內(nèi)外區(qū)，污水由內(nèi)區(qū)流經(jīng)格柵除污后，到外區(qū)排入黃浦江中。集水池內(nèi)外區(qū)邊安裝有超聲波液位儀用來檢測內(nèi)外區(qū)水位和水位差。
③除污機：泵站裝有鋼絲繩牽引式格柵除污機2臺，除污機用于把附于格柵上的垃圾和污物從集水池中提出來處理。
④變壓器房：為保證泵站的可靠工作，泵站建有兩座800KVA電力變壓器。電力變壓器安裝有溫度監(jiān)控器監(jiān)測三相溫度，當溫度超限能自動啟動風(fēng)機降溫和報警。
⑤水泵房：塘橋泵站安裝了六臺180 kW的軸流水泵；在存水房裝有水位檢測器。
⑥控制柜房：房內(nèi)裝有進線柜2臺（柜1，13）；功率因素補償柜4臺（柜2，3，11，12）；泵開關(guān)柜（柜4-6，8-10）和聯(lián)接柜1臺（柜7）。
2.2控制要求
以塘橋泵站為設(shè)施對象，進行整個泵站的自動化監(jiān)控和管理的改造。
①改造泵站的水泵控制開關(guān)柜，使之具有就地和遠程控制的功能。
②改造泵站的功率因素補償柜，能實現(xiàn)就地自動補償和遠程電網(wǎng)監(jiān)控。
③改造泵站的變壓器房對于變壓器A，B，C三相溫度進行遠程顯示，高溫報警等功能；
④建立泵站的控制室，對泵站實施三級控制，在控制室內(nèi)設(shè)置自動化監(jiān)控操作臺和信號處理柜。
⑤采用SIEMENS的S7-300系列PLC，對整個泵站實現(xiàn)自動化監(jiān)控 ，水泵將根據(jù)泵的狀態(tài) ，水位，雨量，電網(wǎng)狀況，閘門位置等工況自動投切。
⑥通過對水位差的檢測，提示或自動投切除污機。
⑦采用高性能的10英寸真彩LCD觸摸式顯示屏，對整個泵站進行動態(tài)監(jiān)控管理，故障報警，工況記錄和報表打印。
⑧預(yù)留通信接口，可通過電話線路或DDN網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進行區(qū)域監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳送。

3.硬件系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)以上要求，我們開發(fā)研制了下述這套塘橋泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2。 主要 的配置如下。
3．1 PLC配置
泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的PLC采用SIEMENS的S7-300系列。根據(jù)系統(tǒng)要求 ，PLC總體配置如下：
① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU314，內(nèi)存RAM擴展到64K。
② 數(shù)字量輸入模塊（DI）：選用SM321,共8塊（16點/塊）。處理128點輸入信號。
③ 數(shù)字量輸出模塊（DO）：選用SM322,4塊為16點/塊，4塊為8點/塊。處理96點輸出信號。
④ 模擬量輸入模塊（AI）：選用SM331,共3塊（8點/塊）。處理24點輸入信號。
⑤ 通信模塊：選用CP340,共2塊，1塊為RS232接口，1塊為RS485接口。
PLC采用了四個框架，在RTU信號柜內(nèi)有三個，其中一個為備用擴展框架；另一個在操作臺內(nèi)，通過IM361擴展連接，這樣簡化了接線，大大地提高可靠性。
3．2觸摸屏配置
觸摸屏采用了日本DIGTAL公司的570 HMI（當時SIEMENS還沒有此類HMI）來 實 現(xiàn)上述要求。HMI是以RS232接口與PLC的CP340連接，采用SIEMENS的3964R的協(xié)議完 成 通信。
3．3電網(wǎng)監(jiān)控配置
電網(wǎng)監(jiān)控采用法國SOCOMEC公司的DIRIS M型的電量監(jiān)控器，可檢測三相四線制 的相電壓，線電壓，相電流，零線電流，有功無功功率，功率因素，頻率及相應(yīng)的最大值。監(jiān)控器以RS485接口采用MODBUS協(xié)議與PLC的CP340連接，傳送電網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)。因為泵站是采用 雙路電網(wǎng)進線，故應(yīng)用了兩套電量監(jiān)控器，分別安裝兩側(cè)進線柜上。
其他的裝置的信號都是通過數(shù)字量或模擬量點出點入與PLC連接。

遠程網(wǎng)絡(luò)
控制室
現(xiàn)場設(shè)備

4．軟件監(jiān)控實現(xiàn)

塘橋泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要有兩部分：PLC監(jiān)控軟件和觸摸屏圖控軟件。 PLC監(jiān)控 軟件由幾大模塊組成。
4．1系統(tǒng)檢測和故障處理模塊
系統(tǒng)檢測處理所有的輸入信號，根據(jù)具體情況將作出不同響應(yīng)。處理的信號有：六臺泵電機的溫度和振動；進出水閘門狀態(tài)；存水房液位；防火防盜安全；兩臺電源變壓器溫度；雨量；四臺功率因素補償柜工況；電網(wǎng)工況（電壓欠壓和過壓監(jiān)控；三相電流過載監(jiān)控；缺相監(jiān)控；三相不平衡監(jiān)控；功率過載監(jiān)控；功率因素監(jiān)控；電量累計）；污水池水位等。
系統(tǒng)故障分類為三級:一級故障定義為最高級。當發(fā)生此類故障，將禁止所有控制輸出。聲光報警，記錄打印，在顯示屏上顯示故障類型和解決方法。只有在排除故障，按人工復(fù)位鍵后系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。二級故障定義為次級。當發(fā)生此類故障時將禁止故障點的控制輸出，系統(tǒng)作自動調(diào)正繼續(xù)當前操作。故障報警和恢復(fù)同一級故障。三級故障定義位最低級。當發(fā)生此類故障時，僅聲光預(yù)警，不中斷當前操作。根據(jù)系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種故障實施相關(guān)的故障聲光報警和記錄。此刻觸摸式顯示屏進入故障報警畫面，顯示故障內(nèi)容，性質(zhì)，地點，時刻和解決方案，并打印。
4．2除污機和排水泵的運行處理
泵站有兩臺除污機,系統(tǒng)對除污機的工況進行監(jiān)控。故障信號置位，置二級故障報警，由<系統(tǒng)故障處理>模塊處理。根據(jù)信號狀態(tài)點亮或熄滅有關(guān)指示燈。機同時在觸摸式顯示屏上顯示。當除污機柜上的選擇開關(guān)選擇遠控，操作臺在泵自動運行前，先進行排污操作。采用水位差檢測，則根據(jù)水位差標志實施自動排污。在自動排污時，先在現(xiàn)場聲光預(yù)警，再運行裝置。
泵啟動柜有六臺與操作臺相聯(lián)進行控制。
①當故障信號置位，置二級故障報警，由<系統(tǒng)故障處理>模塊處理。
②根據(jù)信號狀態(tài)點亮或熄滅有關(guān)指示燈。
③當泵開關(guān)柜上的選擇開關(guān)選擇遠控，在操作臺上可實施四種泵運行方式：手動方式；自動方式；預(yù)抽空方式；檢修方式。
④在操作臺上對每臺泵設(shè)置有各自的狀態(tài)指示燈；手動操作按紐和選擇開關(guān)。
⑤單臺泵的選擇開關(guān)有四檔：停止；檢修；手動和自動。當設(shè)置手動檔時可實施手動或預(yù)抽空操作。在自動檔時則允許該泵進入系統(tǒng)自動運行組態(tài)。
⑥在系統(tǒng)操作上設(shè)置有三檔的選擇開關(guān)：停止；自動和預(yù)抽空。<停止>禁止所有泵的運行；<自動>允許單臺泵選擇開關(guān)設(shè)置在自動檔的泵進入自動運行組態(tài)。<預(yù)抽空>允許單臺泵選擇開關(guān)設(shè)置在手動檔的泵預(yù)抽空運行。
⑦泵的啟動和停止要延時依次投入和退出。
⑧泵的基本聯(lián)鎖條件：A.一級故障，電源故障禁止所有泵運行；B.泵電機故障，泵啟動柜故障禁止對應(yīng)泵運行；C.泵的不同運行要附合上述泵啟動柜，操作臺之間的正確設(shè)置；D.水位聯(lián)鎖。
⑨當滿足上述不同聯(lián)鎖條件，泵可進入手動，檢修,預(yù)抽空或自動運行。
⑩在泵自動運行時,要根據(jù)水位點和水位區(qū)來確定需運行的泵數(shù)；判斷能投入自動組態(tài)的泵是否滿足上述要求，如不滿足，則故障報警；如可組態(tài)的泵多于所需投入運行的泵，則依據(jù)這些泵運行時間累計數(shù)小的泵投入運行。隨著水位降低，逐步退出當前運行時間最長的泵。
4．3數(shù)據(jù)處理和人機界面處理
①數(shù)據(jù)統(tǒng)計：泵啟動柜交流接觸器動作計數(shù)；泵運行時間累計；泵站排水量累計；降雨量累計；用電量累計。
②數(shù)據(jù)設(shè)置：水位值，水位差值和流量值設(shè)置；變壓器的溫度和瓦斯值設(shè)置；雨量值設(shè)置；泵電機的溫度和震動值設(shè)置；電力參數(shù)設(shè)置；防盜有效與否設(shè)置。
③與觸摸式顯示屏的數(shù)據(jù)通信：觸摸式顯示屏采用工業(yè)級人機介面。主要完成下列任務(wù)：泵站運行監(jiān)控；故障報警,記錄和排除提示；參數(shù)設(shè)置；模擬鍵盤操作；數(shù)據(jù)記錄處理；工藝曲線顯示；工況模擬顯示；泵站概貌顯示。
④打印機打印處理：故障隨機打印；運行狀態(tài)打印；參數(shù)設(shè)置打印；工作報表打印；動態(tài)曲線打印；設(shè)備狀態(tài)打印；數(shù)據(jù)統(tǒng)計打印；顯示屏幕打印。

5．結(jié)語

塘橋泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)自1998年改造至今已近兩年，正常運行證明：整個系統(tǒng)設(shè)計合理 先進；操作簡便；可靠性高；完全符合用戶預(yù)期的要求，將推廣應(yīng)用至其他地區(qū)。